北京大學(xué)實現(xiàn)千兆赫茲碳納米管集成電路 推動了碳納米管電子學(xué)的發(fā)展

集成電路芯片遵從摩爾定律，通過縮減晶體管尺寸，不斷提升性能和集成度，成本得以降低；然而，進(jìn)一步發(fā)展卻受到來自物理極限、功耗和制造成本的限制，需要采用新興信息器件技術(shù)支撐未來電子學(xué)的發(fā)展。碳納米管被認(rèn)為是構(gòu)建亞10nm晶體管的理想材料；理論和實驗研究均表明相較硅基器件而言，其具有5～10倍的本征速度和功耗優(yōu)勢，性能接近由量子測不準(zhǔn)原理所決定的電子開關(guān)的極限，有望滿足后摩爾時代集成電路的發(fā)展需求。但是，由于寄生效應(yīng)較大，實際制備的碳管集成電路工作頻率較低（一般在兆赫茲以下，1MHz=106Hz），比硅基互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）電路的工作頻率（千兆赫茲，即吉赫茲，1GHz=103MHz=109Hz）低幾個數(shù)量級。在國際商業(yè)機(jī)器公司（IBM）研究人員2017年8月發(fā)表的基于碳管陣列的環(huán)形振蕩器的研究工作中，振蕩頻率達(dá)282MHz，仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于預(yù)期。因此，大幅度提升碳納米管集成電路的工作頻率成為發(fā)展碳納米管電子學(xué)的重要挑戰(zhàn)。北京大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院、納米器件物理與化學(xué)教育部重點實驗室彭練矛教授-張志勇教授團(tuán)隊在碳納米管電子學(xué)領(lǐng)域潛心研究十幾年，發(fā)展了一整套碳管CMOS技術(shù)，前期已實現(xiàn)亞10nm CMOS器件以及中等規(guī)模集成電路。日前，他們通過對碳管材料、器件結(jié)構(gòu)/工藝和電路版圖的優(yōu)化，在世界上首次實現(xiàn)工作在千兆赫茲頻率的碳管集成電路，有力推動了碳納米管電子學(xué)的發(fā)展。團(tuán)隊首先通過優(yōu)化碳管材料、器件結(jié)構(gòu)和工藝，提升碳納米管晶體管的跨導(dǎo)和驅(qū)動電流；對于柵長為120nm的晶體管，在0.8V的工作電壓下，其開態(tài)電流和跨導(dǎo)分別達(dá)到0.55mA/μm和0.46mS/μm，其中跨導(dǎo)為已發(fā)表碳管器件的最高值。基于如此性能的器件，成功實現(xiàn)了五級環(huán)振，振蕩頻率達(dá)680MHz。而后，團(tuán)隊進(jìn)一步優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)，在源漏和柵之間引入空氣側(cè)墻，以減少源漏寄生電容；同時增加?xùn)?a target="_blank">電阻的厚度，以減少寄生電阻，振蕩頻率達(dá)到2.62GHz。在此基礎(chǔ)上，團(tuán)隊通過縮減碳管晶體管柵長和優(yōu)化電路版圖，將五級環(huán)振振蕩頻率進(jìn)一步提升至5.54GHz，比此前發(fā)表的最高紀(jì)錄（282MHz）提升了幾乎20倍；而120nm柵長碳管器件的單級門延時僅為18ps，在沒有采用多層互聯(lián)技術(shù)的前提下，速度已接近同等技術(shù)節(jié)點的商用硅基CMOS電路。更為重要的是，該技術(shù)所采用的碳納米管薄膜作為有源區(qū)材料，可實現(xiàn)高性能碳管環(huán)振電路的批量制備，且電路成品率為60%，環(huán)振的平均振蕩頻率為2.62GHz，表征差為0.16GHz，表現(xiàn)出較好的性能均一性。

《自然·電子學(xué)》官網(wǎng)截屏與文中描述的碳納米管環(huán)形振蕩電路：（a）五級環(huán)振電路掃描電鏡照片；（b）5.54 GHz的碳管環(huán)振電路；（c）環(huán)振頻率的統(tǒng)計直方圖；（d）與其他碳管材料、二維材料和硅基環(huán)振的單級門延時對比。2017年12月11日，上述工作以題為《基于碳納米管薄膜的千兆赫茲集成電路》（Gigahertz integrated circuits based on carbon nanotube films）的論文在線發(fā)表于《自然·電子學(xué)》（Nature Electronics, DOI:10.1038/s41928-017-0003-y），即將正式刊載于該期刊的創(chuàng)刊號，這也是北京大學(xué)在該期刊發(fā)表的首篇論文。信息學(xué)院2013級博士研究生仲東來為第一作者，張志勇教授和彭練矛教授為共同通訊作者。這項研究工作不僅極大推進(jìn)了碳納米管集成電路的發(fā)展，更表明基于現(xiàn)有的碳管材料，通過簡單工藝已可能實現(xiàn)性能與商用單晶硅基CMOS性能相當(dāng)?shù)募呻娐?；如果采用更為理想的材料（例如高密度碳管平行陣列）和更高級的加工工藝，則有望推動碳納米管技術(shù)在速度和功耗等方面全面超過硅基CMOS技術(shù)。該項研究得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、北京市科技計劃和建設(shè)世界一流大學(xué)（學(xué)科）和特色發(fā)展引導(dǎo)專項的資助。